JP2014081088A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地熱または水温を熱源として、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転可能な熱交換装置を提供する。
【解決手段】 上下に延びる外管１、内管２および中心管３からなる三重管１０を備え、三重管１０は、下部が地中に没しており、上部が地上に露出しており、外管１は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分と地上部分にそれぞれ、外管１の内外で熱交換する下側熱交換部１１および上側熱交換部１２を有しており、内管２は、断熱性を有するものであって、外管１の内側に位置していて、上下端において外管１と連通しており、中心管３は、内管２の内側に位置していて、外管１を上下に貫通しており、外管１および内管２には、作動媒体Ｍが密封されており、中心管３には、下から上に向けて補助作動媒体Ｗが流れている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地熱または水温を熱源として、作動媒体を介して熱交換を行う熱交換装置に関する。

６ｍ以下の地中は、地上の気温によらず略一定温度となっている。従来、この略一定温度の熱源（地熱）を利用して室内の空調を行う空調装置が多数提案されている。特許文献１に示す発明もその一例であり、地中の貯水器内部の水を熱源としたヒートポンプを備え、この水と、室内各所を循環する閉循環路内の水とで熱交換し、さらに室内各所の熱交換器において、閉循環路内の水と室内空気とで熱交換するものである。地熱温度は、冬期の室内温度よりも高く、夏期の室内温度よりも低いので、冬期には熱交換器を流通する空気が室内温度よりも温められ、夏期には熱交換器を流通する空気が室内温度よりも冷やされる。こうした空調装置は、熱源として自然エネルギを利用するものであるから、環境負荷が小さく、省エネ効果が高いものである。

特開２００５−１６４１６０号公報

しかしながら、文献１の発明は、空気を自然対流させるものとされているが、ヒートポンプの作動媒体である水を自然対流のみで恒常的に循環させることは困難であり、そのためのポンプを必要としていた。文献１の発明以外のものでも、従来この種の空調装置を始めとする熱交換装置においては、一般に作動媒体を循環させるためのポンプを有しており、とくに、夏期は地熱温度よりも室内温度が高くなるので、作動媒体は上部（室内側）が高温、下部（地中側）が低温となり、自然対流が生じず、ポンプが不可欠であった。そして、ポンプの駆動には電気エネルギを消費するため、自然エネルギを利用したことによる省エネ効果が低下してしまうことが問題であった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、地熱または水温を熱源として、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転可能な熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明は、上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管を備え、三重管は、下部が地中または水中に没しており、上部が地上または水上に露出しており、外管は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分または水中部分と、地上部分または水上部分にそれぞれ、外管の内外で熱交換する下側熱交換部および上側熱交換部を有しており、内管は、断熱性を有するものであって、外管の内側に位置していて、上下端において外管と連通しており、中心管は、内管の内側に位置していて、外管を上下に貫通しており、外管および内管には、作動媒体が密封されており、中心管には、下から上に向けて補助作動媒体が流れていることを特徴とする。なお、「上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管」には、各管が垂直方向に延びるもののほか、各管内の流体が重力により流動する範囲で傾斜するものも含む。

このように構成した本発明の熱交換装置によれば、たとえば地熱を利用して室内の空調を行う場合、冬期においては、上部（室内側）の作動媒体が室内温度によって冷やされ（作動媒体から室内に放熱）、密度が大きくなって、重力により外管と内管の間を下方に移動する。そして、下部（地中側）の作動媒体が地熱温度によって温められ（地中から作動媒体に吸熱）、密度が小さくなって、内管の内部を上方に移動する。これにより、作動媒体に対流が生じて循環し、恒常的に熱交換を行うことができる。また、中心管の内部を流れる補助作動媒体として水道水を用いる場合、水道水は外管の下端よりも下側の地中を通ることで温められるので、通常よりも高温の水道水を供給できる。一方、夏期においては、上部（室内側）の作動媒体が室内温度によって温められ（室内から作動媒体に吸熱）、密度が小さくなって、外管と内管の間を上方に移動する。また、中心管の内部を流れる補助作動媒体は、外管の下端よりも下側の地中を通ることで冷やされる。そして、上端部の作動媒体が補助作動媒体によって冷やされ（作動媒体から補助作動媒体に放熱）、密度が大きくなって、重力により内管の内部を下方に移動する。これにより、作動媒体に対流が生じて循環し、恒常的に熱交換を行うことができる。なお、補助作動媒体として水道水を用いる場合、水道水は作動媒体により室内温度近くまで温められるので、通常よりも高温の水道水を供給できる。また、空調に利用する以外にも、地中と地上の温度差を利用して発電を行うことも可能である。さらに、海や湖などにおいて、水中と、水上の表面温度との温度差を利用した場合にも、同様に動作させることができる。

本発明によれば、熱交換に際して補助作動媒体を介在させることにより、電気エネルギを使うことなく、恒常的に運転することが可能となる。また、補助作動媒体として水道水を用いる場合、熱交換の過程で水道水が温められるので、給湯に必要なエネルギを軽減できる。

本発明の熱交換装置の第一実施形態の全体図である。 冬期における動作の説明図である。 夏期における動作の説明図である。 熱交換装置の出力の数値解析の計算条件を示す説明図である。 温度分布の計算結果を示す図であり、（ａ）は冬期、（ｂ）は夏期のものである。 出力の時間経過の計算結果を示すグラフであり、（ａ）は冬期、（ｂ）は夏期のものである。 本発明の熱交換装置の第二実施形態の全体図である。 本発明の熱交換装置の第三実施形態の全体図である。 本発明の熱交換装置の第四実施形態の全体図である。 本発明の熱交換装置の第五実施形態の全体図である。

本発明の熱交換装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１に示すように、この熱交換装置の第一実施形態は、地熱を利用して室内の空調を行うものであり、外管１、内管２および中心管３からなる三重管１０を備える。外管１、内管２および中心管３は、何れも垂直方向に延びる円管である。

外管１は、塩化ビニル製で断熱性を有しており、上下端が閉止されていて、内部は密閉された空間となっている。そして外管１は、下部が地中に埋設され、上部が地上（建物内の室内空間Ｓ）に露出している。なお、図１は模式図であり、地中に埋設される部分と地上に露出する部分の長さが同じである必要はない。上記のとおり、地上の気温によらず略一定温度となるのは６ｍ以下の地中であるから、地中に埋設される部分の長さは６ｍ以上であることが望ましい。一方、地上に露出する部分の長さは、建物の大きさに合わせて自由に設定できる。そして、外管１の地中部分と地上部分にはそれぞれ、外管１の内外で熱交換する下側熱交換部１１および上側熱交換部１２が設けられている。これらは何れも、外管１の一部を熱伝導率の高いアルミニウム製の管材に置き換えたものである。これにより、外管１は、下側熱交換部１１および上側熱交換部１２のみにおいて、内外で熱交換することができる。

また、内管２は、外管１と同じ塩化ビニル製で断熱性を有しており、外管１より小径で、外管１の内側に設けられている。そして内管２は上下端が開放されていて、外管１よりも短く、上下端において外管１と連通している。

さらに、中心管３は、熱伝導率の高いアルミニウム製であって、内管２より小径で、内管２の内側に設けられており、外管１を上下に貫通している。

そして、外管１および内管２には、作動媒体Ｍとして、水が密封されている。また、中心管３の下端には上水道管４が接続されていて、中心管３の内部を、下から上に向けて、補助作動媒体Ｗとして水道水が流れる。さらに、中心管３の上端には給湯管５が接続されていて、給湯管５は、給湯タンク６に接続されている。なお、上水道管４および給湯管５は、水道管として一般的な鋼管である。また、上水道管４は、必然的に外管１の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることになる。

次に、このように構成した熱交換装置の第一実施形態の動作について説明する。なお、図２および図３においては、作動媒体Ｍおよび補助作動媒体Ｗの温度の高低を色の濃淡で表しており、温度の高い部分が淡色、温度の低い部分が濃色となっている。まず、冬期においては、地熱温度＞水道水温度＞室内温度となる。よって、図２に示すように、上側熱交換部１２を介して、上部（室内側）の作動媒体Ｍが室内温度によって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Ｍから室内空間Ｓに放熱するということであり、室内温度が上がる。すると、上部の作動媒体Ｍの密度が大きくなって、重力により外管１と内管２の間を下方に移動する。そして、下方に移動した室内温度の作動媒体Ｍは、下側熱交換部１１を介して、地熱温度によって温められる。これはすなわち、地中から作動媒体Ｍに吸熱するということである。すると、下部の作動媒体Ｍの密度が小さくなって、内管２の内部を上方に移動する。これにより、作動媒体Ｍには、外管１と内管２の間を下降し、内管２の内部を上昇するという対流が生じるので、地中で吸熱し、室内空間Ｓで放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。また、中心管３の内部を流れる補助作動媒体Ｗの水道水は、外管１の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることで、地熱温度により温められる。よって、給湯タンク６には通常よりも温度の高い水道水をためることができる。

一方、夏期においては、地熱温度＜水道水温度＜室内温度となる。よって、図３に示すように、上側熱交換部１２を介して、上部（室内側）の作動媒体Ｍが室内温度によって温められる。これはすなわち、室内空間Ｓから作動媒体Ｍに吸熱するということであり、室内温度が下がる。すると、上部の作動媒体Ｍの密度が小さくなって、外管１と内管２の間を上方に移動する。また、中心管３の内部を流れる補助作動媒体Ｗは、外管１の下端よりもさらに地中深い箇所を通ることで、地熱温度により冷やされる。これはすなわち、補助作動媒体Ｗから地中に放熱するということである。そして、上端部に移動した室内温度の作動媒体Ｍは、補助作動媒体Ｗによって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Ｍから補助作動媒体Ｗに放熱するということである。すると、上端部の作動媒体Ｍの密度が大きくなって、重力により内管２の内部を下方に移動する。これにより、作動媒体Ｍには、外管１と内管２の間を上昇し、内管２の内部を下降するという対流が生じるので、室内空間Ｓで吸熱し、補助作動媒体Ｗを介して地中で放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。なお、補助作動媒体Ｗの水道水は、作動媒体Ｍにより室内温度近くまで温められる。よって、給湯タンク６には通常よりも温度の高い水道水をためることができる。

このように、熱交換装置の第一実施形態によれば、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して、室内温度を地熱温度に近づけるように空調を行うことができる。とくに、室内温度が地熱温度より高くなる夏期においては、作動媒体Ｍのみでは対流が生じないが、熱交換に際して補助作動媒体Ｗの水道水を介在させることにより、対流を生じさせることが可能となっている。なお、補助作動媒体Ｗは常に流れている必要はなく、上端部の作動媒体Ｍの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよい。よって、この熱交換装置からなる地熱空調装置が設置された住宅や工場などにおいて、通常の生活や業務に伴う水道の使用による断続的な流れがあれば、運転が可能である。また、熱交換の過程で補助作動媒体Ｗの水道水が温められるので、給湯タンク６内の水道水を昇温して使用する際に必要なエネルギを軽減できる。

続いて、このように構成した熱交換装置の出力を求める。まず、作動媒体として、空気を用いた場合と、水を用いた場合の、熱の移動量を比較する。空気を作動媒体とした場合の、空気の移動による単位時間の移動熱量は、次式で表される。
ここで、地中温度１８℃、外気温度５℃として、直径１０ｃｍの管内を、流速５ｍ／ｓで空気を循環させることを想定すると、単位時間の移動熱量は次式となる。

一方、水を作動媒体とした場合の、水の移動による単位時間の熱移動量は、次式で表される。
ここで、地中温度１８℃、外気温度５℃として、直径１０ｃｍの管内を、流速０．０１ｍ／ｓで水を循環させることを想定すると、単位時間の移動熱量は次式となる。

このように、熱交換の作動媒体としての空気と水を比較すると、水は、低速であっても高い熱輸送能力を有することがわかる。ただし、上記の計算は、管壁や、地下、室内などの熱伝導や対流の影響、あるいは管路の配管による損失などを考慮していないため、実際よりも高い値となっている。

そこで次に、より実際に即した条件の下で数値解析を行った。本発明の熱交換装置は、作動媒体の水が管内を自然対流するものであるが、この自然対流の数値解析においては、連続の式、ナビエ・ストークス式および熱エネルギ保存式を差分化し、ＳＯＬＡ法を用いた。なお、温度による密度変化の影響は、ブジネスク近似で求めた。図４に示すように、想定した三重管は、外管、内管および中心管からなり、各管は何れも垂直方向に延びる同心の円管である。外管は、断熱素材からなるものであって、直径０．４４ｍ、厚さ２０ｍｍ、高さ５ｍで、地中部分が３ｍ、地上部分が２ｍである。そして、下端から上側１ｍの範囲が下側熱交換部、地表面から上側１ｍの範囲が上側熱交換部となっている。内管は、断熱素材からなるものであって、直径０．３２ｍ、厚さ２０ｍｍである。中心管は、アルミニウム製であって、直径０．１６ｍ、厚さ２０ｍｍである。そして、計算領域は外管の内側全体であって、各管の中心軸を座標軸とする円柱座標系に基づいて、計算格子幅を半径方向に０．０１ｍ、高さ方向に０．０１２５ｍとし、２０×４００の格子で計算を行った。なお、上記のとおり、本来外管の地中に埋設される部分の長さは６ｍ以上であることが望ましいが、ここでは、計算時間の短縮のために３ｍとした。

まず、冬期を想定して、室内空間と熱交換する上側熱交換部を１０℃に、地中と熱交換する下側熱交換部を１８℃として計算を行った。その結果、図５（ａ）に示すような温度分布となり、作動媒体の水が、外管と内管の間を下降し、内管の内部を上昇するという対流が生じることが確認された。また、図６（ａ）は、横軸に時間、縦軸に出力をとったグラフであり、時間経過により出力が定常になる様子がわかる。

次に、夏期を想定して、室内空間と熱交換する上側熱交換部を３０℃に、地中と熱交換する下側熱交換部を１８℃とし、中心管内の補助作動媒体である水道水の流速を０．０１ｍ／ｓとして計算を行った（補助作動媒体の流量は５Ｌ／ｍｉｎ程度となる）。その結果、図５（ｂ）に示すような温度分布となり、作動媒体の水が、外管と内管の間を上昇し、内管の内部を下降するという対流が生じることが確認された。また、図６（ｂ）は、横軸に時間、縦軸に出力をとったグラフであり、時間経過により出力が定常になる様子がわかる。

以上の計算結果から、冬期においては、作動媒体のみで、空気の移動熱量（０．６ｋＷ）と同等の出力が得られることが確認された。そして、冬期および夏期の何れにおいても、時間経過により出力が定常状態となっており、電気エネルギを使うことなく、恒常的に作動媒体を循環させて、空調を行うことが可能であることが確認された。なお、冬期において、定常状態における出力は約５５０Ｗであるが、外管の地中に埋設される部分の長さをより長くすれば、さらに出力は大きくなる。また、夏期において、定常状態における出力は約５３０Ｗであるが、外管の地上部分の長さ（作動媒体が吸熱して上昇する長さ）をより長くすれば、さらに出力は大きくなる。そして、地中の温度と地上の温度の差が大きいほど、出力は大きくなる（温度差がなければ、出力はゼロである）。さらに、補助作動媒体の流量が大きいほど、出力は大きくなる。これはすなわち、夏期においては、上記のとおり補助作動媒体によって作動媒体が冷やされるので、補助作動媒体の流量が大きければその分だけ熱交換量も大きくなるため、出力は大きくなる。一方、冬期においては、理想的には補助作動媒体は必要ないが、実際には、室内空間の温度が下がって作動媒体の温度も下がると、地中の下側熱交換部のみでは作動媒体が地中温度まで上昇しない。ここで、補助作動媒体が循環して地中温度近くになっていると、作動媒体は補助作動媒体からも吸熱して、温度を上昇させることができるので（すなわち補助作動媒体も地熱との熱交換部になる）、出力は大きくなる。

なお、上記のとおり、本発明の熱交換装置の第一実施形態は、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転できる点が特徴であるが、とくに夏期において、何らかの理由により長時間にわたって水道が利用されない場合には、上部の作動媒体Ｍを冷やすことができず、作動媒体Ｍが循環しなくなってしまう。そこで、そのような場合に備えて、補助作動媒体Ｗを循環させるための循環ポンプ７を設けたのが、熱交換装置の第二実施形態である。図７に示すように、第二実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管１０（外管１、内管２、中心管３）、上水道管４、給湯管５および給湯タンク６を有している。そして第一実施形態と異なる点は、給湯タンク６と上水道管４とを接続する戻り管８が設けられていて、この戻り管８の途中に循環ポンプ７が設けられている点である。循環ポンプ７を駆動することにより、補助作動媒体Ｗの水道水は、給湯タンク６から、戻り管８、上水道管４、中心管３、給湯管５を経由して給湯タンク６へと戻る流路を循環する。

次に、このように構成した熱交換装置の第二実施形態の動作について説明する。第二実施形態は、冬期および夏期において水道が利用される場合には、第一実施形態と同様に動作する。そして、夏期において水道が利用されない場合には、まず、上側熱交換部１２を介して、上部（室内側）の作動媒体Ｍが室内温度によって温められる。これはすなわち、室内空間Ｓから作動媒体Ｍに吸熱するということであり、室内温度が下がる。すると、上部の作動媒体Ｍの密度が小さくなって、外管１と内管２の間を上方に移動する。そこで、循環ポンプ７を駆動して補助作動媒体Ｗを循環させる。すると、給湯タンク６内の補助作動媒体Ｗは、外管１の下端よりもさらに地中深い箇所に位置する上水道管４を通ることで、地熱温度により冷やされる。これはすなわち、補助作動媒体Ｗから地中に放熱するということである。そして、上端部に移動した室内温度の作動媒体Ｍは、補助作動媒体Ｗによって冷やされる。これはすなわち、作動媒体Ｍから補助作動媒体Ｗに放熱するということである。すると、上端部の作動媒体Ｍの密度が大きくなって、重力により内管２の内部を下方に移動する。これにより、第一実施形態と同様に、作動媒体Ｍには、外管１と内管２の間を上昇し、内管２の内部を下降するという対流が生じるので、室内空間Ｓで吸熱し、補助作動媒体Ｗを介して地中で放熱するという熱交換を恒常的に行うことができる。なお、補助作動媒体Ｗの水道水は、作動媒体Ｍにより室内温度近くまで温められる。よって、給湯タンク６内の水道水の温度は通常よりも高いままである。

このように、熱交換装置の第二実施形態によれば、水道が利用される通常の状態においては、第一実施形態と同様に、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、循環ポンプ７を設けることにより、夏期において水道が利用されない場合にも、恒常的に運転できる。なお、循環ポンプ７は連続的に駆動する必要はない。上端部の作動媒体Ｍの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよいので、断続的な駆動で対応可能であり、電気エネルギの消費量は小さい。また、作動媒体Ｍの温度を検知して自動的に駆動するようにしてもよい。

次に、本発明の熱交換装置の第三実施形態について、図８に基づき説明する。第三実施形態は、補助作動媒体Ｗとして、水道水ではなく地下水を用いたものである。図８に示すように、第三実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管１０（外管１、内管２、中心管３）、給湯管５および給湯タンク６を有している。そして第一実施形態と異なる点は、中心管３の下端に給水管４ａの一端が接続されていて、給水管４ａの他端が地下水源Ｈに達している点、および給湯管５の途中に、地下水をくみ上げるためのくみ上げポンプ９が設けられている点である。このように構成した熱交換装置の第三実施形態によれば、冬期においては、第一実施形態の冬期の場合と同様に動作する。そして、夏期においては、くみ上げポンプ９を駆動することにより、補助作動媒体Ｗの地下水が中心管３内を下から上へ流れ、第一実施形態の夏期の場合と同様に動作する。

このように、熱交換装置の第三実施形態によれば、冬期においては、第一実施形態と同様に、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、夏期においては、くみ上げポンプ９を駆動することにより、恒常的に運転できる。なお、くみ上げポンプ９は連続的に駆動する必要はない。上端部の作動媒体Ｍの温度が高くなったときにそれを冷やして下降させることができればよいので、断続的な駆動で対応可能であり、電気エネルギの消費量は小さい。また、作動媒体Ｍの温度を検知して自動的に駆動するようにしてもよい。

次に、本発明の熱交換装置の第四実施形態について、図９に基づき説明する。第四実施形態は、第二実施形態に、太陽熱を利用して補助作動媒体Ｗを昇温させる構造を追加したものである。図９に示すように、第四実施形態は、第二実施形態と同様に、三重管１０（外管１、内管２、中心管３）、上水道管４、給湯管５、給湯タンク６、戻り管８および循環ポンプ７を有している。そして第二実施形態と異なる点は、給湯管５が建物の屋根上を通過していて太陽光を浴びるようになっている点、給湯タンク６が高い位置（屋根上）に設置されている点、および循環ポンプ７を迂回する迂回管７１が設けられ、迂回管７１には逆止弁７２が設けられている点である。このように構成した熱交換装置の第四実施形態によれば、冬期および夏期において水道が利用される場合には、第一実施形態と同様に動作する。そして、夏期において水道が利用されない場合であっても、日中は太陽熱により補助作動媒体Ｗを循環させて、熱交換を行うことができる。すなわち、屋根上の給湯管５内の補助作動媒体Ｗは、太陽熱によって昇温（７０℃程度）され、高温の補助作動媒体Ｗが給湯タンク６にためられる。給湯タンク６内の補助作動媒体Ｗは、放熱により温度が下がり、密度が大きくなって、高い位置にある給湯タンク６から、戻り管８を通って下降する。さらに、補助作動媒体Ｗは、迂回管７１および逆止弁７２を通って上水道管４に戻って循環する。ただし、給湯タンク６内の補助作動媒体Ｗ全体が高温になると、循環力がなくなるため、その場合には循環ポンプ７を駆動する。

このように、熱交換装置の第四実施形態によれば、冬期および夏期において水道が利用される場合には、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。そして、夏期において水道が利用されない場合であっても、太陽熱により補助作動媒体Ｗを循環させて、恒常的に運転できる。循環ポンプ７は、給湯タンク６内の補助作動媒体Ｗ全体が高温になった場合にのみ駆動すればよいので、第二実施形態よりも、循環ポンプ７の使用頻度を減らすことができる。また、給湯タンク６内の温水を利用しない場合には、給湯タンク６を放熱しやすい構造にして、温水の温度を外気温まで下げるようにすることで、循環力が発生するので、循環ポンプ７を利用することなく、太陽熱だけで恒常的に補助作動媒体Ｗを循環させることができる。

次に、本発明の熱交換装置の第五実施形態について、図１０に基づき説明する。第五実施形態は、用水路の水位差を利用して、補助作動媒体Ｗを循環させるものである。図１０に示すように、第五実施形態は、第一実施形態と同様に、三重管１０（外管１、内管２、中心管３）を有している。そして第一実施形態と異なる点は、中心管３の下端に給水管４ｂの一端が接続されていて、給水管４ｂの他端が給水側用水路Ｃ１の水中に没しており、中心管３の上端に排水管５ｂの一端が接続されていて、排水管５ｂの他端が排水側用水路Ｃ２の水中に没している点である。なお、給水側用水路Ｃ１の水面は、排水側用水路Ｃ２の水面よりも高い位置にある。このように構成した熱交換装置の第五実施形態によれば、サイフォンの原理により、補助作動媒体Ｗが、給水側用水路Ｃ１から排水側用水路Ｃ２へと流れる。そして、冬期においては、第一実施形態の冬期の場合と同様に動作する。一方、夏期においても、補助作動媒体Ｗが中心管３内を下から上へ流れるので、第一実施形態の夏期の場合と同様に動作する。なお、補助作動媒体Ｗが給水側用水路Ｃ１から排水側用水路Ｃ２へ流れるための条件として、管摩擦抵抗を上回る水圧を生じるだけの水位差があることが必要である。

このように、熱交換装置の第五実施形態によれば、給水側用水路Ｃ１と排水側用水路Ｃ２の水位差がポンプの代わりとなり、冬期および夏期の何れにおいても、電気エネルギを使うことなく恒常的に運転して空調を行うことができる。本実施形態の熱交換装置は、主にビニールハウスなどの空調に用いることが見込まれる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、各部を構成する素材について、外管および内管は断熱性を有するものであればどのようなものであってもよい。また、中心管および熱交換部は効率よく熱交換できるものであればどのようなものであってもよいが、熱伝導率の高い素材を用いれば、より出力を向上させることができる。さらに、熱交換が行われる面にフィンなどを設置すれば、伝熱量が大きくなり、より出力を向上させることができる。また、三重管は、垂直方向に延びるものに限られず、各管内の流体が重力により流動する範囲で傾斜していてもよい。さらに、作動媒体は、温度により密度変化が生じる流体であればよい。たとえば、寒冷地では不凍液を用いてもよい。また、液体の方が効率がよいが、液体が使用できない環境では気体を用いても動作させることができる。さらに、補助作動媒体についても、温水を利用する目的がなければ、水以外の、熱を移動できる種々の流体（液体または気体）を用いることができる。また、上記の各実施形態のように空調に利用する以外にも、地中と地上の温度差を利用して発電を行うことも可能である。発電の方法としては、たとえば、熱交換装置の伝熱面にペルチェ素子を貼ってゼーベック効果により発電する方法や、低沸点物質を蒸発させてタービンを回して発電する方法などが挙げられる。その発電した電気によってポンプを作動させてもよい。さらに、海や湖などにおいて、水中と、水上の表面温度との温度差を利用した場合にも、同様に動作させることができる。

１ 外管
２ 内管
３ 中心管
１０ 三重管
１１ 下側熱交換部
１２ 上側熱交換部
Ｍ 作動媒体
Ｗ 補助作動媒体

Claims (1)

1. 上下に延びる外管、内管および中心管からなる三重管を備え、
   三重管は、下部が地中または水中に没しており、上部が地上または水上に露出しており、
   外管は、断熱性を有するものであって、上下端が閉止されていて、地中部分または水中部分と、地上部分または水上部分にそれぞれ、外管の内外で熱交換する下側熱交換部および上側熱交換部を有しており、
   内管は、断熱性を有するものであって、外管の内側に位置していて、上下端において外管と連通しており、
   中心管は、内管の内側に位置していて、外管を上下に貫通しており、
   外管および内管には、作動媒体が密封されており、
   中心管には、下から上に向けて補助作動媒体が流れていることを特徴とする熱交換装置。